別紙―２
平成26年度

メンブランフィルターを用いた河川用機械設備の簡易劣化診断手法の検討（独）土木研究所（独）土木研究所（独）土木研究所

寒地土木研究所
寒地土木研究所
寒地土木研究所

寒地機械技術チーム
寒地機械技術チーム
寒地機械技術チーム○平地片野山口一典
浩司
和哉

本研究では、河川用機械設備である樋門開閉装置の潤滑油をメンブランフィルターにより、濾過したメンブランパッチ色相と計数汚染度との相関を分析した。その結果、樋門開閉装置に悪影響を与える計数汚染度の上昇をメンブランパッチ色相により、簡易に把握できたことから、有効な劣化傾向診断手法であることを確認したので報告する。
キーワード：健全度、長寿命化、維持・管理

1. はじめにる。
また保全は、予防保全と事後保全に大別される（図-1）。

河川に設置されている樋門設備は、治水設備であり、設備が故障しその機能を失った場合、浸水被害により国民の生命、財産に影響を及ぼす恐れがあるため、社会的経済的影響が大きい。積雪寒冷地においては、寒暖差による劣化や凍結の影響などが懸念されるため、特に日頃の維持管理が重要となっている。
これまで建設されてきた樋門設備の多くが、建設後30年から40年を迎え、老朽化する設備が年々増加することで、
図-1 保全の分類
維持管理費用の増加も懸念されており、設備の延命化や信頼性を確保しつつ効率的で効果的な維持管理が必要で事後保全とは、設備が故障した後に使用可能状態に回ある。
復する保全をいう。通常事後保全と緊急保全に分類されそこで本研究では、摩耗や摩擦の低減、発熱の抑制、る。通常事後保全とは、管理上、予防保全を行わないと腐食の防止、動力の伝達など様々な役割を担っている樋
決めた機器の故障に対する処置をいい、緊急保全とは、門設備の潤滑油に着目した。潤滑油は使用時間や使用環管理上、予防保全を行う機器等が故障を起こした場合に境によって劣化し、機械の運転状態に大きな影響を与え対する緊急措置をいう。
る。また、機械の故障を招く潤滑油の劣化要因は、油の予防保全とは、設備の使用中での故障を未然に防止し、酸化劣化による内的要因と金属摩耗粉やゴミなどの異物による外的要因の２つに大別されることがわかっている。 設備を使用可能状態に維持するために計画的に行う保全をいう。予防保全には時間計画保全と状態監視保全があ
本稿では、積雪寒冷地の河川用機械設備のうち設置台り、時間計画保全は、予定の保全スケジュールに基づく数の多い樋門設備の開閉装置について、潤滑油分析によ予防保全の総称で、時間基準保全（TBM）とも言われる。
る状態監視の可能性及び潤滑油のメンブランフィルターを用いた簡易劣化診断手法の検討を行ったので報告する。 計画的に実施する定期点検や定期整備は、時間計画保全となる。一方、状態監視保全（CBM）は、設備の劣化状態を把握し、管理・劣化基準に達したら修理、取り替えを行う保全を言い、機械設備が故障する前にメンテナン
2. 機械設備の維持管理と保全についてスを行うため、データの精度の問題もあるが、メンテナンスコストや故障損失を最小に抑えることが期待できる。
ＪＩＳ（Ｚ8115）において、保全とは「アイテムを使用及び運用可能状態に維持し、又は故障、欠陥などを回復するための全ての処置及び活動」と規定しており、機械設備の維持管理とはすなわち保全を意味することであKazunori Hirachi,Koji Katano,Kazuya Yamaguchi

上の潤滑油を仮NAS13～21等級に細分化した（表-2）。

3. 樋門開閉装置の潤滑油診断(1) 潤滑油の採油箇所及び採油方法
樋門開閉装置の代表的なものを図-2に示す。
採油箇所は、メインギヤボックス、可逆装置及びスタンドボックスの３箇所とし、給油口より真空式吸引ポンプを用い、概ね油槽の中層部から各箇所500ml程度採油した。

表-2 仮NAS等級表(個/100ml)
等級
粒径1314155 - 1 5 μm

2,048,000

4,096,000

8,192,000

16,384,000

32,768,000

364,800

729,600

1,459,200

2,918,400

5,836,800

2 5 - 5 0 μm

64,800129,600

259,200

518,400

1,036,800

5 0 - 1 0 0 μm

11,52023,04046,08092,160184,320

1 0 0 μm 超2,048

4,096

8,192

16,38432,768(個/100ml)

18

粒径

採油箇所１(ﾒｲﾝｷﾞﾔﾎﾞｯｸｽ)

採油箇所３(ｽﾀﾝﾄﾞﾎﾞｯｸｽ)(2)計数汚染度
潤滑油は、使用につれて様々な化学的変化をするとともに、金属摩耗粉や外部からの微少な混入物の影響によって汚染が進む。潤滑油管理では重要な管理項目の一つである計数汚染度（NAS等級）は、潤滑油に混入している粒子を一定の粒子径範囲ごとに計数し、その粒子数から汚染レベルを判定するものであり、12等級まで分類されている（表-1）1)。

123455 - 1 5 μm

125250

500

1,000

2,000

4,000

8,000

1 5 - 2 5 μm

224489178356712

1,425

2 5 - 5 0 μm48163263126253

5 0 - 1 0 0 μm

1236112245

1 0 0 μm 超0011248(個/100ml)

等級
粒径67891011

262,144,000

1 5 - 2 5 μm

11,673,600

23,347,200

46,694,400

93,388,800

2 5 - 5 0 μm

2,073,600

4,147,200

8,294,400

16,588,800

5 0 - 1 0 0 μm

368,640

737,280

1,474,560

2,949,120

1 0 0 μm 超65,536

131,072

262,144524,288

金属濃度（Ｆｅ値），金属濃度（Ｃｕ値）

021

131,072,000

金属濃度（Fe値）（ppm）(個/100ml)

00

20

65,536,000

524,288,000

金属濃度（Cu値）

30.0

表-1 NAS等級表
等級195 - 1 5 μm(3)摩耗分析と計数汚染度の関係
計数汚染度の高い検体について、NAS等級、仮NAS等級に細分化した上で摩耗分析を実施した。
その結果、金属濃度（Fe値、Cu値）は、NAS等級、仮NAS等級の上昇に伴い上昇し、特に仮NAS15等級以上において大幅な上昇を確認した（図-3）。
潤滑油の汚染度の悪化は、ギヤやギヤボックスに使用されるベアリング（Fe）又はベアリング保持器（Cu）の摩耗状態へ影響を及ぼす。特に仮NAS15等級を境にFe値、Cu値が大幅に上昇していることから油中に混入した異物が一定の数量を超えた際には、機器の摩耗促進への大きな影響があると考える。

図-2 樋門開閉装置及び採油箇所

粒径171 5 - 2 5 μm

等級

採油箇所２(可逆装置)

1627.9

25.0

20.1
20.0

17.9

15.0
10.0
5.06.06.10.20.9

1.2

12級

13級

7.4

3.50.0
14級

15級

16級

計数汚染度（NAS・仮NAS等級）

図-3 計数汚染度と金属濃度平均値

125 - 1 5 μm

16,00032,00064,000128,000

256,000

512,000 1,024,000

1 5 - 2 5 μm

2,850

5,700

11,40022,80045,60091,200

182,400

2 5 - 5 0 μm

506

1,012

2,025

4,050

8,100

16,20032,4005 0 - 1 0 0 μm

90180

360

720

1,410

2,880

5,760

1 0 0 μm 超163264128

256

512

1,024

NAS等級は、元々が高い清浄度が求められる工業や航空宇宙の流体動力用途などで使用されている。今回は、通常時は待機状態で出水時に確実に機能しなければならない樋門開閉装置に適用するものであり、採油した潤滑油の中には、計数汚染度の上限値となるNAS12等級を超過する潤滑油が確認された。
そこで、NAS12等級以上の検体について、汚染度を詳細に評価できるようにNAS等級を拡張した等級（以下「仮NAS等級」という。）を新たに定義し、NAS12等級以Kazunori Hirachi,Koji Katano,Kazuya Yamaguchi

4. 開閉装置ベアリングと潤滑油分析
NAS等級の上昇に伴い、金属濃度も上昇することが確認されたので、潤滑油が仮NAS16等級であった樋門開閉装置に使用されているベアリングの各構成要素（内外輪、転動体、保持器）の表面状態を光学顕微鏡及び電子顕微鏡(SEM)により観察し、さらに潤滑油について、Ｘ線マイクロアナリシス(XMA)分析を実施し、ベアリング表面の状態との関係を調査した。
(1)ベアリング精密評価

代表例としてベアリングの内輪部の切断写真、光学顕微鏡による撮影写真を図-4,5に示す。図中の番号は電子顕微鏡（SEM）の撮影ポイントである。SEMによる内輪部の摩耗状態の観察を行った。その結果、切削摩耗によるとみられる10～20μm程度の切削痕及び剥離痕が多数みられた（図-6,7）。

図-7 内輪部の電子顕微鏡による剥離痕

図-4 ベアリング内輪部

切削痕
剥離痕

図-5 内輪部の光学顕微鏡写真(2)潤滑油分析
次にベアリングに使用されていた潤滑油に混入している摩耗粒子の組成割合を分析するため、摩耗粒子を磁場により大きさ順に配列したフェログラフィーを行った（図-7）。フェログラフィーの結果より、Ｘ線照射ポイントを決定の上、Ｘ線マイクロアナリシス(XMA)分析を行った(表-3)。
その結果、ベアリング鋼を構成するステンレスの組成（Cr、Mn、Fe、Ni）割合に類似している粒子があったことから、これら摩耗粒子はベアリングの内外輪、転動体から発生したと考えられる。また、銅合金と推定される粒子も存在していることから、ベアリング保持器又はベアリング以外のギヤ等の部分からも摩耗粒子が発生していることも推測できる。2）

Ｘ線照射① Ｘ線照射②Ｘ線照射③

Ｘ線照射④
図-8 フェログラフィーによる摩耗粒子
表-3 主な混入元素組成割合
図-6 内輪部の電子顕微鏡による切削痕

分析対象組成割合（％）

クロム

Cr

X線照射①1.33

マンガン鉄Mn
Fe16.50
82.17

ニッケル
銅

Ni
Cu

X線照射② X線照射③0.50
1.76-

98.24

1.68
97.97

X線照射④14.73
1.4074.65-

9.22-

(3)考察
ベアリングの精密評価からベアリング表面に切削痕がKazunori Hirachi,Koji Katano,Kazuya Yamaguchi観察された。一方、潤滑油分析ではベアリングの材料に起因する切削粒子が多く確認され、潤滑油の汚染度が仮NAS16等級と高くなったのは、油中の切削粒子等が影響を与えたと考えられる。この状態で、ベアリングを使用し続けた場合、切削痕が起点となり、フレーキング（常に接触を受けて回転することにより、表面がうろこ状はがれる現象）に進展し、ベアリングの寿命が低下する可能性がある。ベアリングの寿命、さらには施設の寿命を延ばすためには、潤滑油の状態を適切に把握し、清浄に管理することが重要である。

ファンネルセット

真空ポンプ

吸引瓶

図-9 コンタミチェッカー(3) 測定結果
図-10に金属濃度（Fe+Cu値）と最大色差（MCD）との関係を示す。金属濃度（Fe+Cu値）が15ppm以上の場合、(1) 潤滑油とメンブランフィルタ
最大色差（MCD）が30以下となり金属濃度(Fe+Cu値）の本田ら3,4)は、新しい油中汚染物の判定法としてセルロ上昇とともに減少することを確認した。
ース・アセテートの白色フィルタ（メンブランフィルタ）
図-11に計数汚染度(NAS・仮NAS等級)と最大色差（MCD）を用いて、そのフィルタ上に捕集された汚染物を色で判及び⊿ERGBの平均値の結果を示す。計数汚染度の上昇に伴い最大色差（MCD）は減少、⊿ERGBは上昇する傾向が確別する手法を提案するとともに、色相判別装置
認できた。
（Colorimetric Patch Analyzer）を開発した。
図-12の計数汚染度と⊿ERGBから計数汚染度の上昇とと本手法は、潤滑油をろ過したメンブランフィルタに白色もにメンブランパッチ色相の濃色化が確認できた。特に、光を投射し反射光と透過光を用いて、RGB値、最大色差
仮NAS14又は15等級を境界として色の濃色化が顕著であ（MCD）、⊿ERGBの各色パラメータを測定する。
り、固形粒子が増えていることが予想される。
RGB値は、各々256階調で表され、白で（255,255,255）、表-4に計数汚染度別のメンブランパッチ、潤滑油及び黒で（0,0,0）となる。最大色差（MCD）はRGB値の2色間RGB、MCD、⊿ERGB値の一例を示す。メンブランパッチと潤の最大差を表したものである。最大色差（MCD）により滑油の色相を比較してみると、潤滑油色相がメンブラン劣化要因の識別がなされ、酸化劣化による場合は値が大パッチ色相と必ずしも一致しないことがわかる。
きく茶系色の色合いが強く、固形粒子による場合は値が小さく灰系色の色合いが強くなる。また、⊿ERGBは白までの距離であり、次式で表される。この値が大きいほどＭＣＤ100
濃色化していることを意味し、汚染程度を判定すること90ができる。

5. メンブランパッチ色相と計数汚染度

80⊿＝255255255

ＭＣＤ（最大色差）

7060504030(2)メンブランパッチの作成
潤滑油をメンブランフィルタにろ過する装置として、(株)クリーンテック製のコンタミチェッカー（図-9）を用いた。フィルタベース部に孔径0.8μmのメンブランフィルタをセットし、試料油5mlを注入後、真空ポンプにより吸引しろ過した。その後、石油エーテルにてメンブランフィルタの油分を除去し乾燥させた。作成したメンブランフィルタを色相判別装置で測定できるようにパッチ化し各色パラメータの測定を行った。
測定を行った潤滑油は、平成25年度までに採油した65検体とした。

Kazunori Hirachi,Koji Katano,Kazuya Yamaguchi

201000.010.020.030.040.050.0

金属濃度（Ｆｅ＋Ｃｕ）【ppm】

図-10 金属濃度と最大色差(MCD)

60.070.0

70MCD⊿ERGBＭＣＤ（最大色差） 平均値

6050300

4020030⊿ＥＲＧＢ 平均値

400(4)まとめ最大色差（MCD）の値から汚染要因、⊿ERGB値の値から汚染程度を判定することができることから、これらの数値を用いて樋門開閉装置の潤滑油の汚染状態を判定できることが示唆された。

20100

5. おわりに100091011121314151617

樋門開閉装置の潤滑油を利用した簡易劣化診断手法を確立するため、ギヤ、軸受（ベアリング）の劣化状態と計数汚染度、金属濃度及びメンブランパッチ色相との相関関係の調査した。今後はメンブランパッチ色相の測定により、樋門開閉装置に使用される潤滑油の交換時期の適正な判断及び異常の早期発見ができるよう判定精度を高めていく。

計数汚染度（NAS・仮NAS等級）

図-11 金属濃度と最大色差(MCD)

500

⊿ERGB

400300

参考文献2001)

1002)(社)日本トライボロジー学会：メンテナンストライボロ
ジー，2006.11
ジムフィッチ：油中元素の発生源（日本語翻訳版），
2011.201012141618

計数汚染度(NAS・仮 NAS 等級)20

図-12 計数汚染度と⊿ERGB（各プロットはメンブランパッチ色相を示す）

3)

本田知己：潤滑油の劣化診断・検査技術，精密工学会
誌,75,3(2009)4)

本田知己，田中清隆，岩井義郎，佐々木徹：メンブラン
パッチの色によるタービン油の酸化劣化診断法の開発，

表-4 メンブランパッチとＲＧＢ値等

Kazunori Hirachi,Koji Katano,Kazuya Yamaguchi

第10回評価・診断に関するシンポジウム，2012.11